公元前１２３年，李广又调为后将军，跟随大将军卫青从定襄（山西右玉县北）出击匈奴。那次战役，不少将领都因为斩杀和俘虏敌人达到奖励标准，封了侯，偏偏李广这支部队没有什么成绩。又过了两年，李广担任郎中令的时候，要他率领四千骑兵从右北平出发，博望侯张骞带领一万骑兵和他在一起。他们分两路围剿匈奴。李广大约前进了几百里，匈奴左贤王率领四万骑兵包围了他。将士们都恐慌起来，李广便派出他的儿子李敢向敌军冲锋。李敢领着几十名骑兵直冲过去，突破敌人的包围圈，抄过它的左右两翼，然后回到原阵地，向李广报告说：“敌人是容易对付的。”这样，军心才安定下来。李广命令士兵们摆成圆形阵势，人人面向敌军。匈奴兵疯狂进攻，箭如雨下。经过一阵较量，汉军死伤大半，箭也用得快完了。李广命令士兵们把箭搭在弦上，拉满弓准备着，他亲自用威力极大的硬弓，射死敌军的副将。接着，一连又射杀了几个，这样，敌军的攻势才渐渐和缓下来。战斗到傍晚，战士们都劳累得面无人色，可是李广的神色和气概还是和平常一样，精神焕发地指挥战斗。在这时候，他更加注意整顿军队，巡视行阵，他的部下因此更加佩服他的勇气了。第二天，又和匈奴兵拼死作战，在这紧张的时刻，恰巧张骞的大军赶到了，敌人才解围而去。汉军已经非常疲乏，没有力量再去追击。这一次，李广几乎全军覆没，只得撤兵回去。事后追究责任，按照法律，张骞耽误了行程，错过了预定的日期，应处死刑。张骞后来出钱赎去死罪，降为平民。李广杀敌虽然有功，但部队损失惨重，功过相抵，也没有得到封赏。